19.2.2. Una coppia speciale di clorofille avvia la separazione delle cariche
Le subunità L e M formano il nucleo strutturale e funzionale del centro di reazione fotosintetico batterico (vedi Figura 19.9). Ciascuna di queste subunità omologhe contiene cinque eliche transmembrana. La subunità H, che ha una sola elica transmembrana, si trova sul lato citoplasmatico della membrana. La subunità del citocromo, che contiene quattro emi di tipo C, si trova sul lato periplasmatico opposto. Quattro molecole di batterioclorofilla b (BChl-b), due molecole di batteriofetina b (BPh), due chinoni (QA e QB), e uno ione ferroso sono associati alle subunità L e M.
Le batteriofilline sono simili alle clorofilline, tranne che per la riduzione di un anello pirrolo aggiuntivo e alcune altre differenze minori che spostano i loro massimi di assorbimento nel vicino infrarosso, a lunghezze d’onda fino a 1000 nm. Batteriofetina è il termine per una batterioclorofilla che ha due protoni invece di uno ione magnesio al suo centro.
La reazione inizia con l’assorbimento della luce da parte di un dimero di molecole BChl-b che si trovano vicino al lato periplasmatico della membrana. Questo dimero, chiamato coppia speciale per il suo ruolo fondamentale nella fotosintesi, assorbe la luce al massimo a 960 nm, nell’infrarosso vicino al bordo della regione visibile. Per questo motivo, la coppia speciale è spesso chiamata P960 (P sta per pigmento). L’eccitazione della coppia speciale porta all’espulsione di un elettrone, che viene trasferito attraverso un’altra molecola di BChl-b alla batteriofetina nella subunità L (Figura 19.10, passi 1 e 2). Questa separazione di carica iniziale, che produce una carica positiva sulla coppia speciale (P960+) e una carica negativa sulla BPh, avviene in meno di 10 picosecondi (10-11 secondi). È interessante notare che solo uno dei due percorsi possibili all’interno del dimero quasi simmetrico L-M viene utilizzato. Nei loro stati ad alta energia, P960+ e BPh- potrebbero subire una ricombinazione di carica; cioè, l’elettrone su BPh- potrebbe tornare indietro per neutralizzare la carica positiva sulla coppia speciale. Il suo ritorno alla coppia speciale sprecherebbe un prezioso elettrone ad alta energia e convertirebbe semplicemente l’energia luminosa assorbita in calore. Tre fattori nella struttura del centro di reazione lavorano insieme per sopprimere quasi completamente la ricombinazione di carica (Figura 19.10, passi 3 e 4). In primo luogo, un altro accettore di elettroni, un chinone strettamente legato (QA), è a meno di 10 Å di distanza dal BPh-, e così l’elettrone è rapidamente trasferito più lontano dalla coppia speciale. Ricordiamo che la velocità di trasferimento degli elettroni dipende fortemente dalla distanza (Sezione 18.2.3). In secondo luogo, uno degli emi della subunità del citocromo è a meno di 10 Å dalla coppia speciale, e così la carica positiva è neutralizzata dal trasferimento di un elettrone dal citocromo ridotto. Infine, il trasferimento di elettroni da BPh- alla coppia speciale con carica positiva è particolarmente lento: il trasferimento è così termodinamicamente favorevole che avviene nella regione invertita dove le velocità di trasferimento degli elettroni diventano più lente (Sezione 18.2.3). Così, il trasferimento di elettroni procede efficientemente da BPh- a QA.
Figura 19.10
Catena di elettroni nel centro di reazione batterico fotosintetico. L’assorbimento della luce da parte della coppia speciale (P960) provoca il rapido trasferimento di un elettrone da questo sito a una batteriofetina (BPh), creando una separazione di carica fotoindotta (passi (più…)
Da QA, l’elettrone si sposta su un chinone più debolmente associato, QB. L’assorbimento di un secondo fotone e il movimento di un secondo elettrone lungo il percorso dalla coppia speciale completa la riduzione a due elettroni di QB da Q a QH2. Poiché il sito di legame del QB si trova vicino al lato citoplasmatico della membrana, due protoni vengono presi dal citoplasma, contribuendo allo sviluppo di un gradiente protonico attraverso la membrana cellulare (Figura 19.10, passi 5, 6 e 7).
Come fa la subunità del citocromo del centro di reazione a recuperare un elettrone per completare il ciclo? Il chinone ridotto (QH2) viene riossidato a Q dal complesso III della catena respiratoria di trasporto degli elettroni (sezione 18.3.3). Gli elettroni dal chinone ridotto sono trasferiti attraverso un intermedio solubile del citocromo c, chiamato citocromo c2, nel periplasma alla subunità del citocromo del centro di reazione. Il flusso di elettroni è quindi ciclico. Il gradiente protonico generato nel corso di questo ciclo guida la generazione di ATP attraverso l’azione dell’ATP sintasi.